В.Б. Сучков1, Г.Л. Павлов2, Ю.В. Каракулин3, Д.А. Тётушкин4

1–4 Московский государственный технический университет им. Баумана (Москва, Россия)
1 vbs-2014@bmstu.ru, 2 pavlov_503@bmstu.ru, 3 karakulin@bmstu.ru, 4 tyotushkinda@student.bmstu.ru

Постановка проблемы. Волноводно-щелевые антенны получили широкое распространение в радиотехнических системах различного назначения благодаря своим преимуществам: высокой направленности, возможности построения линейных и решетчатых излучателей, компактности и технологичности изготовления. Несмотря на очевидные достоинства, проектирование волноводно-щелевых антенн представляет собой достаточно сложную задачу. Основная проблема заключается в том, что характеристики антенны определяются не только электродинамическими процессами, происходящими внутри волновода, но и параметрами щелей, их расположением и ориентацией. При этом необходимо учитывать взаимное влияние щелей друг на друга, а также согласование антенны с питающим трактом. В частности, различают резонансные и нерезонансные волноводно-щелевые антенны. В резонансных конструкциях щели возбуждаются стоячей волной, что обеспечивает высокую эффективность, но предъявляет жесткие требования к согласованию. В нерезонансных антеннах используется бегущая волна, что позволяет расширить рабочую полосу и упростить согласование, однако возникает задача правильного распределения амплитудно-фазовых характеристик вдоль излучающей структуры. Важной задачей при проектировании является формирование диаграммы направленности с заданным наклоном главного лепестка и требуемым уровнем боковых лепестков. Эти параметры определяются амплитудно-фазовым распределением вдоль антенны и напрямую зависят от расположения и характеристик щелей. Правильный выбор их размеров и положения позволяет управлять направленностью и добиваться требуемых характеристик. В статье представлено научное обоснование соответствующего математического аппарата по расчету щелей для последующей оптимизации и получения требуемых характеристик излучения. Алгоритм расчета щелей учитывает электродинамические процессы в волноводе, взаимное влияние элементов и согласование с питающим трактом. Методика предполагает проведение численного моделирования с последующим анализом результатов и оптимизацией параметров антенны с целью достижения необходимого наклона главного лепестка, снижения уровня боковых лепестков и обеспечения требуемых электрических характеристик.

Цель. Разработать и оптимизировать волноводно-щелевую антенну с заданным наклоном главного лепестка диаграммы направленности и требуемым уровнем боковых лепестков на основе алгоритма расчета щелей.

Результаты. С использованием предложенной методики проведен расчет волноводно-щелевой антенны, предназначенной для работы на частоте 10 ГГц, на основе алгоритма определения проводимостей щелей при равноамплитудном распределении токов. Рассмотрена нерезонансная волноводно-щелевая антенна с переменно-фазными щелями в волноводе с поглощающей нагрузкой. Выполнено численное моделирование антенны в пакете электромагнитного моделирования FEKO, подтверждающее корректность расчетов. Проведена оптимизация параметров конструкции в DT Seven для формирования диаграммы направленности с заданным наклоном главного лепестка и требуемым уровнем боковых лепестков. Получены характеристики излучения, удовлетворяющие поставленным требованиям.

Практическая значимость. Разработанный универсальный алгоритм расчета нерезонансной волноводно-щелевой антенны с переменно-фазными щелями позволяет формировать диаграмму направленности с заданными параметрами. Возможность оптимизации делает метод адаптируемым к различным требованиям и обеспечивает широкую применимость на практике. Реализованный подход позволяет расширять метод для расчета антенн с неравномерным амплитудным распределением токов, а также других типов волноводно-щелевых антенн.

Сучков В.Б., Павлов Г.Л., Каракулин Ю.В., Тётушкин Д.А. Методика численного моделирования и оптимизации бортовой волноводно-щелевой антенны X-диапазона радиоволн // Наукоемкие технологии. 2025. Т. 26. № 6. С. 18−30. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j19998465-202506-02

1. Misilmani H.M. E, Al-Husseini M., Kabalan K.Y. Design of slotted waveguide antennas with low sidelobes for high power microwave applications. Progress In Electromagnetics Research C. 2015. V. 56. P. 15–28.
2. Al-Husseini M., El-Hajj A., Kabalan K. High-gain S-band slotted waveguide antenna arrays with elliptical slots and low sidelobe levels. Prog. Electromagn. Res. 2013. P. 1821.
3. Khan A.M., Ahmed M.M., Rafique U., Kiyani A., Abbas S.M. An Efficient Slotted Waveguide Antenna System Integrated with Inside-Grooves and Modified Gaussian Slot Distribution. Electronics. 2022. V. 11. P. 2948. https:// doi.org/10.3390/electronics11182948.
4. Koshkid’ko V.G., Migalin M.M. Design of a Slotted Waveguide Antenna by Means of VBScript Scripting Language Macros in CAD Ansys HFSS. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020. V. 23. № 1. P. 6–17. DOI: 10.32603/1993-8985-2020-23-1-6-17.
5. Воскресенский Д.И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 4-е. М.: Радиотехника. 2012. 744 с.
6. Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Гостюхин В.Л., Филиппов В.С. и др. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и излучающих элементов. М.: Сов. радио. 1972. 320 с.
7. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов. М.: Радио и связь. 1989. 352 c.
8. El Misilmani H., Al-Husseini M., Kabalan K.Y., El-Hajj A. A design procedure for slotted waveguide antennas with specified sidelobe levels. In Proceedings of the 2014 International Conference on High Performance Computing & Simulation (HPCS). Bologna. Italy. 21–25 July 2014. P. 828–832.
9. Balanis C.A. Antenna theory: analysis and design. John Wiley & Sons. 2016.
10. Lácides Ripoll-Solano, Luis Torres-Herrera, Manuel Sierra-Pérez Design. Simulation and Optimization of a Slotted Waveguide Array with Central Feed and Low Sidelobes. 2018 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC).
11. Wasim Z. Design, Fabrication and Testing of a Millimeter Wave Slotted Waveguide Antenna. 2007 International Bhurban Conference on Applied Sciences & Technology. 2007.
12. Hung K.L., Chou H.T. A design of slotted waveguide antenna array operated at X-band. In Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems. Honolulu. HI. USA. 28 August–3 September 2010. P. 1–4.
13. El Misilmani H.M., Al-Husseini M., Kabalan K.Y. Design procedure for planar slotted waveguide antenna arrays with controllable sidelobe level ratio for high power microwave applications. Engineering Reports. 2020. 2:e12255. https://doi.org/10.1002/ eng2.12255.
14. Череп О.В. Метод расчета нерезонансной волноводно-щелевой антенны // Боеприпасы. 2014. № 2.
15. Голубков Ю.В., Козин М.А., Антифеев В.Н. Расчет волноводно-щелевых антенн СВЧ. М.: 1986.
16. Политико А.А. Экспериментальные исследования электрофизических свойств гетерогенных поглощающих структур и покрытий в СВЧ диапазоне: Дис. ... канд. техн. наук: 01.04.13 [Место защиты: ФГБУН Объединенный институт высоких температур Российской академии наук]. М. 2021. 168 с.
17. Сучков В.Б., Лихоеденко К.П., Каракулин Ю.В., Тетушкин Д.А., Артюшкин М.В. Многокритериальная суррогатная оптимизация сверхширокополосной антенны Вивальди // Антенны. 2025. № 4. С. 34–45. DOI: https://doi.org/10.18127/j03209601- 202504-04.